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1、Simulation Design of Separation Processes 分離單元的仿真設(shè)計 (二),CAPD基礎(chǔ) 第八講,分離過程模型的分類,Aspen Plus 中的分離過程模型包含兩大類別：,簡單分離單元模型 塔設(shè)備單元模型,塔設(shè)備單元模型 分類,DSTWU Distl RadFrac Extract,塔設(shè)備(Columns)單元共有9種模塊：,MultiFrac SCFrac PetroFrac RateFrac BatchFrac,塔設(shè)備單元模型分類（2）,,DSTWU 簡捷精餾（設(shè)計）,DSTWU 模塊用Winn-Underwood-Gilliland捷算法進行精餾塔的

2、設(shè)計，根據(jù)給定的加料條件和分離要求計算最小回流比、最小理論板數(shù)、給定回流比下的理論板數(shù)和加料板位置。,DSTWU 簡捷精餾 （2）,DSTWU 連接,DSTWU 模型的連接圖如下：,1、塔設(shè)定 ( Column specifications) （1）塔板數(shù) ( Number of stages) （2）回流比 ( Reflux ratio) 0, 實際回流比； <-1, 絕對值=實際回流比/最小回流比,DSTWU 模型參數(shù),DSTWU模型有四組模型設(shè)定參數(shù)：,DSTWU 模型參數(shù)（2）,2、關(guān)鍵組分回收率 ( Key component recoveries ) （1）輕關(guān)鍵組分

3、在餾出物中的回收率 餾出物中的輕關(guān)鍵組分/進料中的輕關(guān)鍵組分 （2）重關(guān)鍵組分在餾出物中的回收率 餾出物中的重關(guān)鍵組分/進料中的重關(guān)鍵組分,DSTWU 模型參數(shù)（3）,DSTWU模型有四組模型設(shè)定參數(shù)：,DSTWU 模型參數(shù)（4）,3、壓力 ( Pressure) （1） 冷凝器 ( Condenser) （2） 再沸器 ( Reboiler),DSTWU 模型參數(shù)（5）,DSTWU模型有四組模型設(shè)定參數(shù)：,DSTWU 模型參數(shù)（6）,4、冷凝器設(shè)定 ( Condenser specifications) （1） 全凝器 ( Total condenser) （2） 帶汽相餾出物的部分冷凝器

4、 ( Partial condenser with vapor distillate) （3） 帶汽、液相餾出物的部分冷凝器 ( Partial condenser with vapor and liquid distillate),DSTWU 模型參數(shù)（7）,DSTWU模型有四組模型設(shè)定參數(shù)：,DSTWU 模型參數(shù)（8）,含乙苯 30%w、苯乙烯 70%w的混合物（F=1000kg/hr、P=0.12MPa、T=30 C）用精餾塔（塔壓0.02MPa ）分離，要求99.8%的乙苯從塔頂排出，99.9%的苯乙烯從塔底排出，采用全凝器。求： Rmin，NTmin，R=1.5 Rmin

5、 時的R、NT和NF 。,DSTWU 應(yīng)用示例 (1),1、生成回流比理論板數(shù)關(guān)系表 ( Generate table of reflux ratio vs. number of theoretical stages ) 2、計算等板高度 ( Calculate HETP ),DSTWU 計算選項,DSTWU模型有兩個計算選項：,DSTWU 計算選項（2）,“生成回流比理論板數(shù)關(guān)系表”對選取合理的理論板數(shù)很有參考價值。在實際回流比對理論板數(shù)欄目中輸入我們想分析的理論板數(shù)的最小值(Initial number of stages)、最大值(Final number of stages)和增量

6、值(Increment size for number of stages)。計算完成后的結(jié)果中會包括回流比剖形(Reflux ratio profile), 據(jù)此可以繪制回流比理論板數(shù)曲線。,DSTWU 計算選項（3）,DSTWU 計算選項（4）,DSTWU 計算選項（5）,合理的理論板數(shù)應(yīng)在曲線斜率絕對值較小的區(qū)域內(nèi)選擇。,繪制示例（1）的NTR關(guān)系圖，根據(jù)該圖選取合理的R值，求取相應(yīng)的 NT、NF、冷凝器和再沸器的溫度和熱負荷。,DSTWU 應(yīng)用示例 (2),,Distl 簡捷精餾（操作）,Distl 模塊用 Edmister 方法計算給定精餾塔的操作結(jié)果。,Distl 連接,Distl

7、 模塊的連接圖如下：,Distl 模型參數(shù),在Specification表單中設(shè)定以下參數(shù)： 理論板數(shù) Number of stages 加料板位置 Feed stage 回流比 Reflux ratio 餾出物/進料摩爾比 Distillate to feed mole 冷凝器類型 Condenser type 冷凝器壓強 Condenser pressure 再沸器壓強 Reboiler pressure,Distl 模型參數(shù)（2）,Distl 計算結(jié)果,計算給出以下模塊信息： 冷凝器熱負荷 Condenser duty 再沸器熱負荷

8、 Reboiler duty 進料板溫度 Feed stage temperature 塔頂溫度 Top stage temperature 塔底溫度 Bottom stage temperature 進料 q 值 Feed quality,Distl 計算結(jié)果（2）,含水30%w、甲醇70%w的混合物( F= 1000 kg/hr、P=0.12 MPa、T=20 C )用精餾塔 (塔壓0.12MPa) 分離，采用全凝器，22塊理論塔板，加料板在第15塊，摩爾回流比0.56775，餾出物/加料摩爾比0.641。核算分離效果，再沸器功率。,Distl 應(yīng)用示例 (1),,RadF

9、rac 精密分離模塊,RadFrac 模塊同時聯(lián)解物料平衡、能量平衡和相平衡關(guān)系，用逐板計算方法求解給定塔設(shè)備的操作結(jié)果。 RadFrac 模塊用于精確計算精餾塔、吸收塔（板式塔或填料塔）的分離能力和設(shè)備參數(shù)。,RadFrac 精密分離模塊（2）,RadFrac 連接,RadFrac 模塊的連接圖如下：,RadFrac模型設(shè)定,RadFrac 模型具有以下設(shè)定表單： 1、配置（Configuration） 2、流股（Streams） 3、壓強（Pressure） 4、冷凝器（Condenser） 5、再沸器（Reboiler） 6、三相（3-Phase）,,RadFrac 配置,配置表單包含以

10、下項目： 1、塔板數(shù)（Number of Stages） 2、冷凝器（Condenser） 3、再沸器（Reboiler） 4、有效相態(tài)（Valid Phase） 5、收斂方法 （Convergence) 6、操作設(shè)定 （Operation Specifications),RadFrac 配置（2）,RadFrac 配置（冷凝器）,冷凝器配置從四個選項中選擇一種： 1、全凝器（Total） 2、部分冷凝-汽相餾出物 （Partial-Vapor） 3、部分冷凝-汽相和液相餾出物 （Partial-Vapor-Liquid） 4、無冷凝器 (None),RadFrac配置（冷凝器）（2）

11、,,RadFrac 配置（再沸器）,再沸器配置從三個選項中選擇一種： 1、釜式再沸器（Kettle） 2、熱虹吸式再沸器（Thermosyphon） 3、無再沸器 (None),RadFrac配置（再沸器）（2）,,RadFrac 配置（有效相態(tài)）,有效相態(tài)從四個選項中選擇一種： 1、汽-液（Vapor-Liquid） 2、汽-液-液（Vapor-Liquid -Liquid ） 3、汽-液- 冷凝器游離水 （Vapor-Liquid-FreeWaterCondensor） 4、汽-液- 任意塔板游離水 （Vapor-Liquid-FreeWaterAnyStage）,RadFrac配置 (有

12、效相態(tài))（2）,,RadFrac配置（收斂方法）,收斂方法從六個選項中選擇一種： 1、標準方法（Standard） 2、石油/寬沸程（Petroleum/Wide-Boiling） 3、強非理想液相（Strongly Non-ideal Liquid） 4、共沸體系（Azeotropic） 5、深度冷凍體系（Cryogenic） 6、用戶定義（Custom）,RadFrac配置 (收斂方法) (2),,RadFrac 配置（操作設(shè)定）,1、回流比（Reflux Ratio） 2、回流速率（Reflux Rate） 3、餾出物速率（Distillate Rate) 4、塔底物速率（Bottoms

13、 Rate) 5、上升蒸汽速率（Boilup Rate),操作設(shè)定從十個選項中選擇：,6、上升蒸汽比（Boilup Ratio) 7、上升蒸汽/進料比（Boilup to Feed Ratio) 8、餾出物/進料比（Distillate to Feed Ratio) 9、冷凝器熱負荷（Condenser Duty) 10、再沸器熱負荷（Reboiler Duty),RadFrac配置 (操作設(shè)定) (2),操作設(shè)定從十個選項中選擇：,RadFrac配置 (操作設(shè)定) (3),,RadFrac 流股,1、進料流股（Feed Streams） 指定每一股進料的加料板位置。 2、產(chǎn)品流股（Prod

14、uct Streams） 指定每一股側(cè)線產(chǎn)品的出料板位置及產(chǎn)量。,在流股表單中設(shè)置以下參數(shù)：,RadFrac流股（2）,,RadFrac 壓強,從三種方式（View）中選擇一種 1、塔頂/塔底（Top/Bottom） 指定塔頂壓力、冷凝器壓降和塔壓降。 2、壓力剖型（Pressure Profile） 指定每一塊塔板壓力。 3、塔段壓降（Section Pressure Drop） 指定每一塔段的壓降。,在壓強表單中設(shè)置以下參數(shù)：,RadFrac壓強（2）,,RadFrac 冷凝器,冷凝器設(shè)定有兩組參數(shù)：,1、冷凝器指標（Condenser Specification） 僅僅應(yīng)

15、用于部分冷凝器。只需指定冷凝溫度（Temperature）和蒸汽分率（Vapor Fraction）兩個參數(shù)之一。,RadFrac 冷凝器（2）,2、過冷態(tài)（Subcooling） 1）過冷選項（Subcooling option） 回流物和餾出物都過冷 (Both reflux and liquid distillate are subcooled) /僅僅回流物過冷 (Only reflux is subcooled) 2）過冷指標（Subcooling specification） 過冷液溫度 (Subcooled temperature) /過冷度 (Degre

16、es of subcooled),RadFrac 冷凝器（3）,冷凝器設(shè)定有兩組參數(shù)：,RadFrac 冷凝器（4）,,RadFrac 再沸器,如選用了熱虹吸再沸器，則需要進行設(shè)置：,1、指定再沸器流量 （Specify reboiler flow rate） 2、指定再沸器出口條件 （ Specify reboiler outlet condition） 3、同時指定流量和出口條件 （Specify both flow and outlet condition ）,RadFrac 再沸器,,RadFrac 的計算結(jié)果從三部分查看： 1、結(jié)果簡匯（Results summary） 2、分

17、布剖形（Profiles） 3、流股結(jié)果（Stream results）,RadFrac 結(jié)果查看,結(jié)果簡匯給出塔頂（冷凝器）和塔底（再沸器）的溫度、熱負荷、流量、回流比和上升蒸汽比等參數(shù)，以及每一組份在各出塔物流中的分配比率。,RadFrac 結(jié)果簡匯,RadFrac 結(jié)果簡匯（2）,分布剖形給出塔內(nèi)各塔板上的溫度、壓力、熱負荷、相平衡參數(shù)，以及每一相態(tài)的流量、組成和物性。據(jù)此可確定最佳加料板和側(cè)線出料板位置。,RadFrac 分布剖形,RadFrac 分布剖形（2）,RadFrac 分布剖形（3）,根據(jù)DSTWU示例（2）的結(jié)果，選取 R=20、NT=72、NF =42 ，用RadFrac

18、 模塊進行精確計算。再根據(jù)濃度分布剖形結(jié)果選取最佳進料板位置，重新進行校核計算。,RadFrac 應(yīng)用示例 (1),RadFrac 設(shè)計規(guī)定,RadFrac 模型帶有內(nèi)部的設(shè)計規(guī)定功能，通過設(shè)計規(guī)定(Design Specs)和變化(Vary)兩組對象進行設(shè)定。 可以設(shè)置多個設(shè)計規(guī)定對象和多個變化對象，但要注意兩者間的依賴關(guān)系和自由度必須吻合，否則不能收斂。,RadFrac 設(shè)計規(guī)定 (2),RadFrac 設(shè)計規(guī)定對象,設(shè)計規(guī)定對象通過以下三張表單設(shè)置規(guī)定指標 1、規(guī)定 (Specification) 2、組分 (Components) 3、進料/產(chǎn)物流股 (Feed/Product

19、 Streams),RadFrac設(shè)計規(guī)定對象 (2),RadFrac設(shè)計規(guī)定對象 (3),在規(guī)定表單中輸入以下指標 1、類型 (Type) 有36種變量類型共選用 2、目標 (Target) 設(shè)定規(guī)定變量的目標值 3、流股類型 (Stream type) 產(chǎn)物(Product)/內(nèi)部(Internal)/傾析 器(Decanter),RadFrac設(shè)計規(guī)定對象 (4),RadFrac設(shè)計規(guī)定對象 (5),在組分表單中輸入定義目標值的組分 (Components)（分子）和基準組分 (Base Components)（分母）。從左側(cè)可用組分 (Available compon

20、ents)框中選擇需用組分到右側(cè)的選用組分 (Selected Components) 框中.,RadFrac設(shè)計規(guī)定對象 (6),RadFrac設(shè)計規(guī)定對象 (7),在進料/產(chǎn)物流股表單中選擇定義設(shè)計規(guī)定目標值的流股名稱.,RadFrac設(shè)計規(guī)定對象 (8),RadFrac 變化對象,在變化對象的Specification表單中輸入調(diào)節(jié)變量及其調(diào)節(jié)范圍的上、下限值。,RadFrac 變化對象（2）,,RadFrac 應(yīng)用示例 (2),如將示例（1）的塔壓調(diào)到0.01 MPa，全塔壓降0.005 MPa，試求滿足分離要求所需的回流比和餾出物流量。,RadFrac 塔板效率,RadFrac 模塊

21、可以設(shè)定實際塔板的板效率(Efficiencies)。用戶可選用蒸發(fā)效率(Vaporization Efficiencies) 或墨弗里效率(Murphree Efficiencies)，并選擇指定單塊板的效率，單個組分的效率，或者塔段的效率。,RadFrac 塔板效率（2）,RadFrac 塔板效率（3）,RadFrac 蒸發(fā)效率,Vaporization Efficiencies 定義如下,下標 i 代表組分，j 代表塔板編號。,RadFrac 墨弗里效率,Murphree Efficiencies定義如下,下標 i 代表組分，j 代表塔板編號。,,RadFrac 應(yīng)用示例 (3),如果示

22、例（2）中的精餾段的墨弗里效率為0.45，提餾段的墨弗里效率為0.55，試求滿足分離要求所需的塔板數(shù)、加料板位置和回流比。,RadFrac 報告選項,報告（Report）中有一項對塔板設(shè)計非常重要，即性質(zhì)選項（Property options）里的包括水力學(xué)參數(shù)（Include hydraulic parameters）選項。另外剖形選項（Profile options）里包括哪些塔板（Stages to be included in report）也很有用。,RadFrac 報告選項（2）,RadFrac 報告選項（3）,RadFrac 報告選項（4）,選擇了包括水力學(xué)參數(shù)（Include hydraulic parameters）選項后，剖形結(jié)果中將給出指定塔板上的汽、液兩相的體積流量、密度、粘度和表面張力等塔板設(shè)計所需的參數(shù)。,RadFrac 報告選項（5）,,RadFrac 應(yīng)用示例 (4),在示例（3）的基礎(chǔ)上選定性質(zhì)選項中的包括水力學(xué)參數(shù)，計算后查看結(jié)果。,